《盐城工学院学报（自然科学版）》 2025年3月论文学术报告
本报告旨在向中国科研工作者介绍闫梦情、段小汇、段文勇（均来自盐城工学院电气工程学院）于2025年3月在《盐城工学院学报（自然科学版）》第38卷第1期上发表的一项原创性数值模拟研究。该研究题为“某居民住宅室内污染物扩散受温度影响数值模拟研究”，聚焦于室内环境健康与安全领域，特别是密闭住宅中甲醛与甲烷两种典型污染物的耦合扩散行为及其对温度变化的响应机制。
一、 研究背景与目标
随着经济发展和生活水平提高，新装修住宅的室内空气质量问题日益凸显，甲醛等挥发性有机化合物（VOCs）超标严重危害居民健康。同时，燃气（主要成分为甲烷）泄漏是另一重大安全隐患。既往研究多集中于单一污染物（如甲醛或甲烷）在不同通风模式下的扩散规律，但对于室内密闭环境下，多种污染物（尤其是密度差异显著的甲醛与甲烷）同时存在时的扩散机制，特别是温度这一关键环境参数对其扩散特性的综合影响，研究尚不充分。因此，本研究旨在填补这一空白，通过高保真的数值模拟方法，探究在无外部通风的密闭住宅环境中，温度（15°C、20°C、25°C）变化对甲醛和甲烷扩散的浓度场、速度场分布的影响规律。其最终目标是为室内污染物监测点的优化布置提供理论依据，并为评估温度变化对室内空气污染风险的潜在影响提供科学参考。
二、 详细研究流程与方法
本研究采用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics， CFD）方法，遵循了从物理建模、数学模型构建、网格划分与验证到多工况模拟及结果分析的完整工作流程。
第一步：研究对象物理建模与边界条件设定 研究以盐城市亭湖区某新装修完工的14层两室两厅住宅为物理原型。利用ANSYS Fluent软件的内置建模模块，精确建立了包含房间主体、衣柜、桌子、门窗等结构的三维立体模型。为了模拟“甲醛释放伴随燃气泄漏”的典型复合污染场景，研究设定了三个固定的污染源：两个甲醛释放源（分别位于主次卧的衣柜表面），释放强度设定为7.2×10⁻¹² kg/s；一个甲烷泄漏源（位于厨房灶具），泄漏强度设定为0.00065 kg/s。为确保模拟的针对性和可控性，研究提出了六个关键假设：1) 室内完全密闭；2) 忽略室内热源散热及室外传热；3) 忽略墙壁、家具的吸附作用，视为绝热壁面；4) 污染物扩散为纯物理过程，无化学反应；5) 气固界面扩散遵循菲克定律；6) 污染源单位面积释放率为定值。
第二步：数学模型与湍流模型选择 由于室内空气是空气、甲醛、甲烷的混合流体，流动状态复杂，无法用解析法求解。因此，研究采用了基于传质理论的物理模型进行数值求解。控制方程基于质量、动量和组分守恒定律。对于湍流的模拟，研究选择了在室内空气流动模拟中广泛应用且被证实有效的标准k-ε双方程湍流模型。该模型通过求解湍动能（k）方程和湍流耗散率（ε）方程来封闭雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程，从而描述室内气流的湍流特性和污染物的输运过程。文中给出了标准k-ε模型的k方程与ε方程的具体数学表达式。
第三步：网格划分与网格无关性验证 为确保模拟结果的精度与计算效率的平衡，研究对建立的三维模型进行了非结构化的六面体网格划分。为验证网格数量对计算结果的影响，避免因网格过疏或过密导致的结果失真，研究进行了严格的网格无关性检验。具体做法是：将模型分别划分为约56万、70万、95万和106万四种不同密度的网格，在相同工况下，比较房间内两个特定位置点（坐标分别为 (5.2， -3.4， 0) 和 (5.2， -3.4， 2.5) ）沿高度方向的甲醛质量分数分布。结果显示，当网格数量超过70万时，两个监测点处的甲醛质量分数随高度变化的曲线已基本重合，变化不再显著。这表明网格数量达到701，302时，模拟结果已基本不受网格进一步加密的影响，实现了“网格无关性”。因此，后续所有模拟均采用网格数量为701，302的划分方案。
第四步：模拟方案设计与监测点布置 基于盐城市气温特点，研究设定了15°C、20°C、25°C三个室内温度工况。为全面捕捉污染物在居民活动区域的分布，在六个典型功能区域（次卧、餐厅、客厅、主卧、厨房、卫生间）内，分别于离地0.5米（坐姿腿部高度）、1.2米（坐姿呼吸高度）、2.0米（站立呼吸高度）三个水平面上设置了共计18个虚拟监测点。利用ANSYS Fluent软件，在设定好的初始条件和边界条件下，对每个温度工况进行稳态模拟计算，最终获取整个计算域内的速度场、温度场以及甲醛和甲烷的浓度（质量分数）场数据。
第五步：数据处理与可视化分析 通过CFD-Post等后处理软件，研究者对庞大的模拟数据进行了系统分析和可视化呈现。分析工作主要分为两大层面：一是整体场分布分析，生成了不同温度下整个房间的污染物质量分数三维体绘制图、以及三个高度截面的速度云图和污染物浓度云图；二是局部定量分析，提取了18个监测点在不同温度下的具体速度值、甲醛质量分数和甲烷质量分数数据，并绘制了折线图进行对比。这种“全局观”与“局部析”相结合的方法，使研究结论既有宏观的空间分布规律，又有精确的量化数据支撑。
三、 主要研究结果
1. 污染物扩散的整体空间分布特征：分层现象显著 模拟结果清晰揭示了甲醛和甲烷在密闭室内扩散的迥异空间行为。甲醛气体由于密度大于空气，在重力作用下表现出明显的“下沉”趋势，主要聚集在房间下部空间（图5）。在模拟的所有温度工况下，其最大质量分数区域均出现在靠近地面和污染源（衣柜、桌面）下方的位置，最高局部质量分数可达100%。相反，甲烷气体密度小于空气，在浮力作用下表现出强烈的“上浮”趋势，主要聚集在房间上部空间，尤其是天花板下方（图6）。其最大浓度区域位于厨房泄漏点上方及客厅、卫生间的屋顶处，最高局部质量分数可达1.8%。这种因密度差异导致的“甲醛下沉、甲烷上浮”的分层现象，是本研究揭示的一个核心规律。
2. 温度对污染物扩散的促进效应：量化证据 温度升高显著促进了两种污染物的扩散混合过程。在代表人体呼吸高度的1.2米水平面上，监测数据提供了定量证据（图17b，c）：随着室内温度从15°C升高至25°C，该平面上所有监测点的平均甲醛质量分数从79%上升至91%，增幅约为0.15倍；平均甲烷质量分数则从0.19%上升至0.29%，增幅约为0.53倍。这表明，在15-25°C范围内，温升对密度较小的甲烷扩散的促进效应（0.53倍）远强于对密度较大的甲醛（0.15倍）。这一结果直接服务于研究目标，量化了温度变化对人体呼吸高度污染物暴露水平的潜在影响。
3. 速度场与污染物浓度场的耦合演化 对速度场云图的分析（图7-9）显示，在低温（15°C）时，房间内气流组织在污染源（如衣柜）附近的墙壁处形成明显的涡旋，速度较大。随着温度升高至20°C和25°C，污染物扩散速度加快，高浓度区域向整个房间更均匀地扩散，导致房间内整体气流速度分布趋于平缓。这与浓度场的变化相呼应：温度升高使污染物从释放点更快地向外围扩散，导致释放点附近浓度相对降低（如图10-12中客厅桌面附近甲醛浓度先减后增的现象），而远离释放点的区域（如餐厅、厨房）浓度则相应升高。
4. 垂直浓度梯度的普遍规律 无论温度如何变化，两种污染物在垂直方向上的浓度梯度规律保持一致。在相同温度下，甲醛浓度随高度增加而单调递减（图10-12），而甲烷浓度则随高度增加而单调递增（图13-15）。这一规律再次强化了重力与浮力在决定污染物垂直分布中的主导作用。
5. 模拟结果的验证 研究通过对比三个不同高度截面（z=0.5 m， 1.2 m， 2.0 m）上18个监测点的具体数据（图16-18）与对应截面的整体云图分布，发现二者在变化趋势和相对关系上高度吻合。例如，在z=0.5 m截面，厨房（测点5）甲醛浓度随温升而增大，餐厅（测点2）甲烷浓度随温升而减小，这与云图观察到的“甲醛向厨房下部堆积，甲烷从餐厅下部向上部迁移”的现象完全匹配。这种点与面的相互印证，增强了模拟结果的可靠性和可信度。
四、 研究结论与价值
本研究得出以下核心结论： 1. 扩散规律：在密闭住宅内，甲醛和甲烷的扩散受温度和自身密度双重影响。温度升高在15-25°C范围内对两者扩散均有促进作用，其中对甲烷的增强效应更显著。两者扩散存在显著的空间分层：甲醛主要聚集于房间下部，甲烷主要聚集于房间上部。 2. 暴露风险：在人体呼吸高度（1.2米），温度从15°C升至25°C，甲醛平均浓度增加约0.15倍，甲烷平均浓度增加约0.53倍，表明温升会加剧该高度平面的污染物暴露水平。 3. 监测布点启示：基于分层规律，为了实现对污染物的快速响应和有效监测，建议将甲烷探测器安装在泄漏源（如灶具）上方或房间上部，而将甲醛探测器安装在污染源（如家具）下方或房间下部。
本研究的科学价值在于，首次通过高精度的CFD模拟，系统地揭示了密闭室内环境中，温度变化对甲醛和甲烷这一重一轻两种典型污染物耦合扩散行为的差异化影响机制，并给出了量化的浓度变化数据。其应用价值显著，为室内空气质量评估、多污染物复合暴露的风险分析、以及智能家居中多传感器网络（如甲醛和燃气报警器）的优化布局提供了重要的理论依据和设计指导。
五、 研究亮点
六、 其他有价值的内容
本研究还展示了CFD数值模拟在建筑环境与室内空气品质研究中的强大能力。它能够在无需实际建造实体模型、不涉及任何安全风险（尤其是燃气泄漏实验）的情况下，高效、低成本地预测复杂三维空间内气流和污染物的动态分布，是一种极具价值的研究工具。论文中对于灶具泄漏源的简化处理（简化为特定尺寸的圆环）、对于甲醛释放源强度的设定依据（参考相关实验测定数据），也为后续类似研究提供了可借鉴的参数化建模方法。